Modello di onda d'esplosione a bassa intensità per la valutazione preclinica della lesione cerebrale traumatica lieve a testa chiusa nei roditori

La lesione cerebrale traumatica (TBI) rappresenta oltre due milioni di visite ospedaliere ogni anno solo negli Stati Uniti. I TBI lievi comunemente derivanti da incidenti automobilistici, eventi sportivi o cadute rappresentano circa l’80% di tutti i casi di ^TBI1. Il TBI lieve è considerato la “malattia silenziosa” in quanto i pazienti spesso non manifestano sintomi evidenti nei giorni e nei mesi successivi all’insulto iniziale, ma possono sviluppare gravi complicanze correlate al TBI più tardi nella ^vita2. Inoltre, il TBI lieve indotto da blast è prevalente tra i membri del servizio militare ed è stato associato a disfunzione cronica del SNC3,4,5,6. A causa della crescente incidenza di ^TBI7,8 lieve correlato all’esplosione, la modellazione preclinica dei processi neurobiologici e fisiopatologici associati al TBI lieve è quindi diventata un punto focale nello sviluppo di nuovi interventi terapeutici per TBI.

Storicamente, la ricerca sul TBI si è concentrata principalmente sulle forme gravi di neurotrauma, nonostante il numero relativamente inferiore di casi gravi di TBI umano. Sono stati sviluppati modelli preclinici di roditori per TBI umani gravi, compresi i modelli di impatto corticale controllato (CCI)^9,10 e lesioni da percussione fluida (FPI)¹¹, entrambi ben consolidati per produrre effetti fisiopatologici ^{affidabili12,13}. Questi modelli hanno gettato le basi per ciò che è noto oggi sulla neuroinfiammazione, la neurodegenerazione e la riparazione neuronale nel TBI. Sebbene sia stata sviluppata una notevole conoscenza della fisiopatologia del TBI, attualmente non sono disponibili trattamenti efficaci approvati dalla FDA per tbi.

Più recentemente, il focus della ricerca TBI è stato ampliato per includere uno spettro più ampio di patologie correlate al TBI con l’obiettivo finale di sviluppare interventi terapeutici efficaci. Tuttavia, sono stati stabiliti pochi modelli preclinici per TBI lieve che hanno mostrato effetti misurabili e solo un piccolo numero di studi ha studiato lo spettro TBI lieve2,14,15. Poiché il TBI lieve rappresenta la grande maggioranza di tutti i casi di TBI, sono urgentemente necessari modelli affidabili di TBI lieve per facilitare la ricerca sull’eziologia e la neuropatofisiologia della condizione umana, al fine di sviluppare nuove strategie terapeutiche.

In collaborazione con ingegneri biomedici e fisici aerospaziali, abbiamo stabilito un modello scalabile di onde d’urto a testa chiusa per TBI da lieve a moderato. Questo modello di roditore preclinico è stato specificamente sviluppato per studiare gli effetti della dinamica della forza, comprese le onde d’urto e il movimento di accelerazione / decelerazione, che sono associati al LIEVE TBI umano ottenuto in combattimenti militari, eventi sportivi, incidenti automobilistici e cadute. Poiché le onde d’urto sono correlate con le dinamiche di forza che causano tbi lieve negli esseri umani, questo modello è stato progettato per produrre una forma d’onda di Friedlander coerente con un impulso, che viene misurato come libbre per pollice quadrato (psi) * millisecondo (ms). Il livello di impulso viene scalato per scendere al di sotto delle curve di letalità polmonare definite per topi e ratti al fine di condurre indagini precliniche16,17,18. Inoltre, questo modello consente di indagare sulle lesioni da colpo di stato e contrecoup dovute alle rapide forze di rotazione della testa dell’animale. Questo tipo di lesione è inerente a diversi tipi di presentazioni cliniche di TBI, comprese quelle osservate sia nella popolazione militare che in quella civile. Pertanto, questo modello versatile si adatta a un’esigenza che comprende più presentazioni cliniche di TBI.

Il modello preclinico qui presentato produce cambiamenti fisiopatologici affidabili e riproducibili associati a TBI clinica lieve, come dimostrato da una serie di studi precedenti17,19,20,21,22,23. Gli studi con questo modello hanno dimostrato che i ratti sottoposti a un’onda d’urto a bassa intensità hanno mostrato neuroinfiammazione, danno assonale, danno microvascolare, cambiamenti biochimici legati a lesioni neuronali e deficit di plasticità a breve termine ed eccitabilità ^sinaptica19. Tuttavia, questo modello lieve di TBI non ha indotto alcun cambiamento neuropatologico macroscopico, inclusi danni tissutali, emorragie, ematomi e contusioni19 che sono stati comunemente osservati in studi che hanno utilizzato modelli di TBI invasivi da moderati a ^gravi10,24. Ricerche precedenti19,21,22,23 hanno dimostrato che questo modello preclinico può essere utilizzato per caratterizzare i processi neurobiologici e fisiopatologici alla base dell’eziologia del TBI lieve e moderato17,19,20,21,22,23. Questo modello consente anche di testare nuovi composti e strategie terapeutiche, nonché l’identificazione di nuovi bersagli adatti per lo sviluppo di interventi TBI efficaci19,21,22,23.

Questo modello è stato sviluppato per studiare gli effetti indotti dalle onde d’urto e le forze rotazionali rapide sugli esiti molecolari, cellulari e comportamentali nei roditori. Analogamente al modello di onda d’urto qui presentato, è stato sviluppato un certo numero di modelli preclinici che tentano di ricapitolare TBI da lieve a moderato utilizzando onde di sovrapressione guidate dal gas2,14,17,25,26,27,28. Alcune delle limitazioni di altri modelli includono: l’animale è fissato a una gabbia di rete metallica e la testa è immobilizzata all’impatto; gli organi periferici sono esposti all’onda oltre al cervello, che crea le variabili confondenti del politrauma; e i modelli sono grandi e stazionari, il che limita la modifica e l’adattamento dei parametri critici a migliori condizioni del modello che ricordano il TBI umano.

I vantaggi di questa configurazione del tubo d’urto da banco a gas sono il suo costo relativamente basso per le spese di acquisizione e gestione, nonché la facilità di installazione e utilizzo. Inoltre, la configurazione consente un funzionamento ad alto rendimento e la generazione di onde d’urto riproducibili controllate e risultati in vivo sia nei topi che nei ratti. Al fine di controllare condizioni di prova coerenti (ad esempio, onda d’urto costante e sovrapressione) la configurazione è dotata di sensori di pressione. I vantaggi di questo modello per TBI includono la scalabilità della gravità della lesione e che il TBI lieve viene indotto utilizzando una procedura non invasiva a testa chiusa. La sovrapressione di picco e la successiva lesione cerebrale aumentano con membrane di poliestere più spesse in modo scalabile e ^coerente17. La capacità di scalare la gravità del TBI attraverso lo spessore della membrana è uno strumento utile per determinare il livello, al quale diventano evidenti specifiche misure di esito (ad esempio, neuroinfiammazione). Fornendo una schermatura protettiva per gli organi periferici, consente anche un’indagine mirata sui meccanismi del TBI lieve evitando o riducendo le variabili confondenti della lesione sistemica, come le lesioni polmonari o toraciche. Inoltre, questa configurazione consente di selezionare la direzione, con cui l’onda d’urto colpisce / penetra nella testa (cioè frontalmente, lateralmente, superiore o inferiore) e quindi possono essere indagati diversi tipi di insulti che inducono TBI. La procedura standard per indurre TBI da lieve a moderata qui descritta impiega l’esposizione laterale per valutare gli effetti della lesione da onda d’urto in combinazione con lesioni da colpo di stato e contrecoup a causa di forze di rotazione rapide. Inoltre, al fine di studiare esclusivamente le lesioni indotte da esplosioni, in questo modello può essere impiegata l’esposizione alle onde d’urto dall’alto verso il basso.